Fiber sensing jako alternatywna metoda E-book. wykorzystania światłowodów

Transkrypt

1 Fiber sensing jako alternatywna metoda E-book wykorzystania światłowodów

2 Spis treści Wprowadzenie 3 Sposoby dokonywania pomiarów 4 Lokalny pomiar punktowy 6 Model rozproszony Utrzymanie sprawności sieci (Predicting Fiber Breaks and Weak Points) Wybrane metody służące lokalizacji usterek Podsumowanie O autorze Spis treści 2 z 21

3 Inne zastosowanie światłowodów - wprowadzenie Światłowody znajdują obecnie o wiele szersze zastosowanie niż tylko przesyłanie danych na duże odległości. Mogą być wykorzystane także np. do zbierania informacji na temat otoczenia. Poziom rozwoju technologii pozwala na zbieranie danych poprzez dokonywanie lokalnych pomiarów punktowych lub pomiarów wzdłuż całego włókna, czyli w tzw. modelu rozproszonym. Fiber sensing (pomiary sensoryczne) opiera się na właściwościach falowych oraz interakcjach kwantowych światła z rdzeniem światłowodu. Wprowadzenie 3 z 21

4 SPOSOBY DOKONYWANIA POMIARÓW

5 Sposoby dokonywania pomiarów Przedstawiamy dwa modele dokonywania pomiarów przy użyciu światłowodów oraz ich podstawowe właściwości. Lokalny pomiar punktowy pomiar uzyskuje się przy pomocy czujników Bragga - FBG (Fiber Bragg Grating) technologia oparta na małych segmentach (5-10 mm) ulokowanych wzdłuż rdzenia światłowodu system wykorzystuje przestrajalne źródło światła, które zakłóca konkretną długość widma oraz działa jak zwierciadło i odbija światło w stronę źródła. Model rozproszony włókno stanowi sensor bazuje na fizycznych zależnościach pomiędzy światłem a włóknem wykorzystuje rozpraszanie wsteczne, czyli jedno z głównych fizycznych zjawisk wykorzystywanych w pomiarach sensorycznych rodzaje rozpraszania wstecznego: Rayleigh, Brillouin, Raman Sposoby dokonywania pomiarów 5 z 21

6 Lokalny pomiar punktowy Pomiar ten uzyskuje się przy pomocy czujników Bragga. Cała technologia opiera się na małych segmentach (5-10 mm) ulokowanych wzdłuż rdzenia światłowodu. Odbijają one wybrane długości fali, a resztę przepuszczają. System wykorzystuje przestrajalne źródło światła, które skanuje zakres widma i jednocześnie sprawdza odbite światło. Lokalny pomiar punktowy 6 z 21

7 Odbita długość fali jest mierzona przez spektometr i przechowywana jako wartość początkowa. W momencie pojawienia się naprężenia na włóknie, zmienia ono swoją strukturę, co skutkuje tym, że FBG zmienia swój krok.całe odbicie zostaje przesunięte, a pomiar jest wykorzystywany do przeliczenia odkształcenia. Unstrained FBG Rysunek 1 Zasada działania Fiber Sensing Strained FBG Lokalny pomiar punktowy 7 z 21

8 Model rozproszony Model rozproszony różni się całkowicie od FBG, ponieważ w tym przypadku to włókno jest sensorem. Nie są potrzebne żadne modyfikacje w strukturze okablowania, by system mógł pracować poprawnie. Całość bazuje na fizycznych zależnościach pomiędzy światłem a włóknem. Rozpraszanie wsteczne (ang. - Backscattering) jest jednym z głównych fizycznych zjawisk, które są wykorzystywane w pomiarach sensorycznych. Występuje w momencie, gdy foton napotyka na swojej drodze zanieczyszczenia w rdzeniu włókna, a sygnał optyczny zostaje odbity w stronę źródła światła. Zanieczyszczenia są rozłożone równomiernie w całym włóknie, więc w razie pojawienia się miejscowo nieciągłości spowodowanej zewnętrznymi zjawiskami (naprężenia, temperatura, wibracje itp.), ich gęstość jest modyfikowana. W rezultacie następuje zmiana intensywności rozpraszania wstecznego w tym miejscu. Znając czas potrzebny na pokonanie trasy przez impuls optyczny można dokładnie określić miejsce występowania nieprawidłowości. Rodzaje rozpraszania wstecznego Rayleigh - ta sama długość fali Brillouin - niskie przesuniecie (dodatnie lub ujemne) Raman - wysokie przesuniecie (dodatnie lub ujemne) Model rozproszony 8 z 21

9 Rayleigh backscattering Brillouin backscattering Raman Rayleigh Rysunek 2 Rodzaje rozpraszania wstecznego Raman Rozpraszanie Rayleigha jest zależne od długości fali. Spowodowane jest niejednorodnością materiału, co stanowi przyczynę fluktuacji zmian współczynnika załamania. Zachodzi na cząstkach o rozmiarze mniejszym od długości fali światła propagowanego w włóknie i znajduje wykorzystanie w reflektometrach optycznych. Dlatego większość ludzi pracujących z światłowodami miała do czynienia z tym zjawiskiem. Tak naprawdę, każdy doświadcza go codziennie, ponieważ rozpraszanie Rayleigha odpowiada za niebieski kolor nieba. Rozpraszanie wsteczne Brillouin jest wynikiem interakcji między sygnałem optycznym a fononami akustycznymi przemieszczającymi się we włóknie powstałymi na skutek wzbudzenia termicznego albo odkształcenia. Światło zostaje rozproszone przez poruszającą się jednostkę, a jego częstotliwość jest przesunięta przez zjawisko the Relativistic Doppler (o 10 GHz lub 0,1 nm dla 1550nm). Prążek widma jest generowany zarówno przy dodatnim, jak i ujemnym przesunięciu względem pierwotnej długości fali. Intensywność i częstotliwość przesunięcia zależy od dwóch Model rozproszony 9 z 38

10 współczynników: temperatury i naprężenia. Raman backscattering Zachodzi w sytuacji, w której światło jest rozpraszane przez interakcję z wibracjami molekularnymi zachodzącymi w samym włóknie. Analogicznie do rozpraszania Brillouin, występują w nim dodatnie i ujemne przesunięcia. Mierząc stosunek intensywności przesunięcia dodatniego do ujemnego, można ustalić bezwzględną temperaturę. Rozpraszanie wsteczne Ramana zależne jest tylko i wyłączenie od temperatury. Anti-Stokes Raman DTS Brillouin DTSS Rysunek 3 Różnice między rozpraszaniem wstecznym Ramana a Brillouin Rayleigh Brillouin Stokes Raman 1445nm 1549,91nm 1550,09nm 1655nm Wavelength (nm) 1550nm Model rozproszony 10 z 21

11 UTRZYMANIE SPRAWNOŚCI SIECI

12 Utrzymanie sprawności sieci Predicting Fiber Breaks and Weak Points Operatorzy potrzebują rozwiązania, które pozwoli przewidywać możliwość wystąpienia usterek spowodowanych nadmiernym naprężeniem kabla czy też zlokalizować jego słabe punkty. Takie zjawiska wynikają z ciągle zmieniających się warunków atmosferycznych, co negatywnie oddziałuje na kable optyczne, szczególnie te naziemne, najbardziej narażone na zmiany pogody. Analizując strukturę kabla, na skutek działania warunków atmosferycznych, włókna mogą ulegać wydłużeniu przekraczającemu maksymalną dopuszczalną wartość (0,2% - określona przez producentów). Pomimo pojawienia się na rynku włókien niewrażliwych na zginanie, struktura włókna szklanego może ulegać zniszczeniu przy wydłużeniu przekraczającym 4%. Utrzymanie sprawności sieci (Predicting Fiber Breaks and Weak Points) 12 z 38

13 Analiza spektralna Brillouin jest jedyną metodą charakteryzacji optycznej, która może służyć do pomiarów w architekturze rozproszonej, która znajduje zastosowanie do analizy włókien optycznych. Główną trudnością związaną z linkami telekomunikacyjnymi jest bowiem to, że zwykle przekraczają one długość 100 km, a od urządzeń pomiarowych wymaga się dużej rozdzielczości, by móc wykryć każdy problem w działaniu Rysunek 4 3 miejsca, w których rozciągnięcie włókna przekracza 2000 µε (0,2%) Utrzymanie sprawności sieci (Predicting Fiber Breaks and Weak Points) 13 z 21

14 Wybrane metody służące lokalizacji usterek B-OTDA B-OTDR Fiber Bragg DAS DTSS DTS Wspomniane rozwiązania znajdują zastosowanie nie tylko na rynku telekomunikacyjnym, ale także w przemyśle naftowym czy energetycznym. B-OTDA Wykorzystuje najsilniejsze sygnały, ale jednocześnie jest ograniczona zasięgiem, ponieważ wymaga wykorzystania pętli. Największa możliwa odległość pomiaru to 80km. Większe odległości uzyskuje się jedynie przy pomocy wzmacniaczy optycznych rozmieszczonych wzdłuż linku optycznego. Rozwiązanie to jest jednak mało interesujące dla rynku telekomunikacyjnego z powodu skomplikowanej architektury oraz dodatkowych elementów aktywnych w sieci. Dlatego B-OTDA nie jest rozwiązaniem, które można w praktyce wdrożyć na rynku telekomunikacyjnym dla odległości powyżej 80km. B-OTDR Polega na wprowadzeniu pojedynczego sygnału do sieci z jednej strony. Sam B-OTDR wykorzystuje rozpraszanie wsteczne Brillouina, tak jak zwykły OTDR wykorzystuje Wybrane metody służące lokalizacji usterek 14 z 38

15 rozpraszanie Rayleigha. Zalety tej metody uwidaczniają się, gdy jest ona wykorzystywana przy linkach, na których występuje znaczna strata sygnału. Na włóknie nie ma pętli, więc urządzenie jest w stanie zawsze przekazać informacje na temat analizowanego odcinka światłowodu. W testach laboratoryjnych uzyskiwany zasięg wynosił 150 km, przy wykorzystywaniu kombinacji wykrywania koherentnego i wzmocnienia Ramana. Niestety w przypadku dłuższych odcinków niż 150 km uzyskiwana rozdzielczość oraz dokładność pomiarów jest niewystarczająca. Fiber Bragg Fiber Bragg jest stosowany w przemyśle jako bezpośredni zamiennik dla elektrycznych tensometrów, który pozwala na dokonywanie bardzo szybkich i dokładnych pomiarów. Znajduje zastosowanie jako miernik w szeroko pojętych systemach telekomunikacyjnych. Ponadto, urządzenia pomiarowe wykorzystujące FBG są instalowane chociażby na rurociągach w celu monitorowania określonych miejsc, zazwyczaj położonych w bezpośredniej bliskości np. obszarów chronionych, rzek. DAS Czułość i względna prędkość detekcji opartej na Rayleigh umożliwia rozproszone wykrywanie akustyczne DAS. Jest to ciągle rozwijające się rozwiązanie oparte na zachowaniu kabli światłowodowych. Włókno kabla działa jako mikrofon wykrywający drgania akustyczne, a za pomocą określonych algorytmów może przekształcić zarejestrowane sygnały na potrzebne dla operatora informacje. W branży telekomunikacji systemy DAS są zazwyczaj wykorzystywane do określenia, Wybrane metody służące lokalizacji usterek 15 z 21

16 na jakim obszarze i w jakiej skali nastąpiły uszkodzenia w infrastrukturze kablowej. Dzięki nim można stwierdzić m.in. uszkodzenie kabli podziemnych w trakcie robót budowlanych kable podziemne, rozszczelnienie mufy przez wodę czy też uszkodzenia kabli napowietrznych, które niekiedy nie są widoczne, bowiem nie zostaje przerwana powłoka zewnętrzna. DTSS DTSS opiera się na rozpraszaniu Brillouin i umożliwia jednoczesny pomiar naprężenia oraz temperatury na całym włóknie. Poza telekomunikacją, sprawdza się do monitorowania rurociągów czy linii energetycznych. Wykorzystując ją w połączeniu z pomiarami czasu, operatorzy rurociągów są w stanie precyzyjnie określić miejsce występowania potencjalnego wycieku. Dla przykładu, jeśli dojdzie do rozszczelnienia gazociągu to w miejscu wycieku rozprężający się gaz spowoduje lokalny spadek temperatury, który zostanie wykryty przez system. DTS DTS bazuje na rozproszeniu Ramana i stanowi rozwiązanie zbliżone do DTSS, ale generuje niższe koszty. Ta metoda jest wykorzystywana wówczas, gdy największy nacisk kładzie się na pomiary temperatury. Przesunięcie długości fali jest w omawianym przypadku znacznie wyższe, stąd system nie wykorzystuje skomplikowanych komponentów optycznych do izolowania długości fali. Metoda Distributed Temperature Sensing zawsze wymaga użycia pojedynczego włókna. Wybrane metody służące lokalizacji usterek 16 z 21

17 PODSUMOWANIE

18 Fiber Sensing (pomiary sensoryczne) stanowi przydatne narzędzie, które wykorzystuje właściwości światłowodów do zbierania informacji na temat otoczenia. Opiera się na właściwościach falowych oraz interakcjach kwantowych światła z rdzeniem światłowodu. Pomiary mogą być dokonywane w dwojaki sposób - poprzez lokalne punkty pomiarowe (FBG) lub w modelu rozproszonym, bazującym na fizycznych zależnościach pomiędzy światłem a włóknem. Rozwiązanie nie tylko stanowi nie tylko narzędzie do diagnostyki w momencie wystąpienia awarii, ale pozwala także na monitoring stanu całej sieci i lokalizację punktów wymagających modernizacji. Pozwala prowadzić tzw. proactive maintenance, czyli zapobiegać problemom, a nie tylko usuwać ich skutki. Podsumowanie 18 z 21

19 Fiber Sensing stanowi odpowiedź na potrzeby rynkowe operatorów, którzy poszukują rozwiązań pozwalających na przewidywanie możliwości wystąpienia usterek spowodowanych nadmiernym naprężeniem kabla czy też zlokalizować jego słabe punkty. Dzięki nim mogą stale monitorować stan infrastruktury i szybko reagować w razie wykrycia nieprawidłowości. W ten sposób zmniejszają ryzyko wystąpienia większych awarii, które mogą skutkować przerwami w dostawie usług i generować straty biznesowe. Poszczególne metody pomiarowe charakteryzują się indywidualnymi właściwościami, specyfiką działania i wykorzystywanymi komponentami. Mogą znaleźć zastosowanie nie tylko na rynku telekomunikacyjnym, ale także m.in. w przemyśle naftowym, wiertniczym czy energetycznym. Podsumowanie 19 z 21

20 O AUTORZE

21 MACIEJ POŁOM Solution Engineer - Access Network Infrastructure W VECTOR SOLUTIONS od 2014 roku specjalista w zakresie infrastruktury sieci dostępowych, zwłaszcza sieci światłowodowych, a także systemów pomiarowych absolwent Politechniki Gdańskiej Wydział Elektroniki i Telekomunikacji #AccessNetworks #AccessNetworksInfrastructure #FiberNetworks #FiberMonitoring #OpticalMeasurement Zainteresował Was temat ebooka? Chcecie uzyskać więcej informacji? Napiszcie do nas, a Maciej chętnie odpowie na dodatkowe pytania. Kontakt: M E m.polom@vector.net O autorze 21 z 21